自升式钻井平台是由一个驳船形船体和3 至4 个能够升降的桩腿所组成的海上平台，已成为浅海油气田勘探开发最主要的钻完井装备之一。自升式钻井平台就位插桩作业过程是钻井平台海上施工的关键环节，而拔桩作业过程同样是影响重大的环节^[1]。渤海九号钻井平台在垦利某区块拔桩作业时间达到22 d，胜利六号在某区块拔桩作业达到62 d，长时间的拔桩作业不仅对钻井平台桩腿造成很大的安全隐患，而且还会对工期安排造成很大影响，甚至会影响企业的正常生产。

为了研究自升式钻井平台拔桩阻力与哪些因素有关，非常有必要开展海底原状土试验，为自升式钻井平台拔桩阻力预测提供技术支撑和实践基础。现基于海边海底原状土试验，分析研究插桩等候时间与拔桩阻力之间的关系。

1 试验方案 1.1 试验装置

试验场地选在渤海湾天津塘沽海边，场地大小60 m×30 m，在该场地搭建可移动脚手架，见图 1。以该处未被破坏的原状土作为试验用土层，经过现场钻孔取样并进行土质分析，该处土层分布符合海上作业土层特点^{[2, 3]}。试验所用的钻井平台桩腿模型为海洋石油941 桩腿和桩靴按照1∶100设计并加工，如图 2 所示。

试验设计了一套拔桩系统，系统主要仪器是拉力式大钳扭矩传感器，见图 3，主要由大钳扭矩传感器、SK-HA-8Y24A压力传感器和液压管线组成，传感器的量程为10 t ；试验用读数的设备为SK-2Z16 钻井参数仪，可用来读取拉力计的读数，见图 4。

1.2 试验原理

由于进行原现场试验的不可行性，本试验采用相似原理进行室外搭建一定高度的脚手架，在脚手架上进行自升式钻井平台插拔桩模拟试验，整个试验过程保证了几何相似和物理相似。

几何相似即试验所用钻井平台桩腿和桩靴完全是按真实钻井平台的桩腿和桩靴以一定比例缩小的；物理相似包括试件模型的材质，压载方式，边界条件等的相似。

试验理论原理^{[4, 5]} 如下：

自升式钻井平台在拔桩过程中拔桩阻力由以下几部分组成：桩靴底部吸附力、桩靴侧面摩擦阻力、桩靴上部覆土的重力和桩侧土体的剪切破坏力，计算公式如下：

$\begin{align} & \operatorname{Re}=\frac{{{12}^{1-n}}\rho {{\left( {{D}_{o}}-{{D}_{i}} \right)}^{n}}{{v}^{2-n}}}{K{{\left( \frac{2n+1}{3n} \right)}^{n}}+\left( \frac{2n+1}{3n} \right){{\left( \frac{{{D}_{o}}-{{D}_{i}}}{12v} \right)}^{n}}{{\tau }_{0}}} \\ & \Delta P=\frac{4KL}{{{D}_{o}}-{{D}_{i}}}{{\left( \frac{1+2n}{3n}\frac{12v}{{{D}_{o}}-{{D}_{i}}} \right)}^{n}}+\frac{4L{{\tau }_{0}}}{{{D}_{o}}-{{D}_{i}}}\left( \frac{2n+1}{n+1} \right) \\ & \Delta P=\frac{2f\rho {{v}^{2}}L}{{{D}_{o}}-{{D}_{i}}} \\ & {{Q}_{ut}}=W+{{P}_{1}}+{{P}_{2}}+{{F}_{f}}+{{F}_{a}}+{{F}_{t}}=W+{{N}_{s}}\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\gamma }_{i}}^{\prime }}{{h}_{i}}A \\ & +{{N}_{s}}\sum\limits_{i=1}^{n}{\frac{{{\gamma }_{i}}^{\prime }\pi {{h}_{i}}}{3}}\left( 2{{R}_{i}}^{2}-{{r}_{i}}^{2}-{{R}_{i}}{{r}_{i}} \right)+\pi Bd{{S}_{u}}+\sum\limits_{i=1}^{n}{{{S}_{ui}}}{{A}_{i}}+{{F}_{t}} \\ \end{align}$

(1)

式中：Qut 为极限上拔力，t ；W为桩腿和桩靴质量，t ；P1 为桩靴上部土体质量，t ；P2 为扩散角引起的桩靴上部土体质量^{[6, 7]}，t ；Ff 为桩靴侧面摩擦阻力，t ；Fa 为土体破坏时的剪切力，t ；Ft 为桩靴底部的吸附力^[8]，t ；Ns 为上部阻力系数；γi' 为桩靴以上回填土的浮容重，t/ m³ ；hi 为桩靴上部土体深度，m ；A为桩靴最大直径处面积，m² ；Ri 为土层顶面土体破坏圆的半径，m ；ri 为土层底面土体破坏圆的半径，m ；B为桩靴的直径，m ；d为桩靴的有效高度，m ；Su 为桩靴侧面土体平均不排水抗剪强度，kPa；Sui 为第i层土的平均不排水抗剪强度，kPa ；Ai 为第i层土的土体锥形面侧面积，m²。

其中，P1 和P2 都与插桩等候时间密切相关。

1.3 试验步骤

试验过程按照以下步骤进行：

（1）选择插桩点；

（2）插入桩腿模型；

（3）逐步加压直到桩腿到预定深度^{[9, 10]} ；

（4）分别静置2 h、6 h、12 h和24 h四种不同的时间；

（5）不同等候时间下分别记录拔桩时的拔桩阻力。

2 试验结果及分析 2.1 试验结果

由于试验现场各方面条件的限制，使得现场不能提供过大的拔桩力，所以现场使用18 cm 圆筒式桩腿做等候时间对拔桩阻力影响的试验，所得试验数据见表 1。

2.2 试验分析

根据表 1，做出拔桩阻力与等候时间的关系散点图，如图 5。

由图 5 可知，拔桩阻力随等候时间的增加而增加，且增加的幅度越来越小，最终趋于稳定。由桩腿自重可知，在不考虑拔桩前用高压海水对桩靴上下表面土体冲桩的情况下，当拔桩阻力稳定时，拔桩阻力约为桩腿自重的2 倍。

3 结论

（1）试验结论与渤海海域内插桩等候时间长短和拔桩时效相吻合，对自升式钻井平台拔桩作业有一定的借鉴意义；

（2）拔桩阻力随等候时间的增加而增加，且增加的幅度越来越小，最终趋于稳定。在实际插桩等候时间比较长的情况下，一定要考虑等候时间对拔桩阻力的影响，以保证拔桩时桩腿的安全；

（3）由试验可知，在不考虑拔桩前用高压海水对桩靴上下表面土体冲桩的情况下，当拔桩阻力稳定时，拔桩阻力约为桩腿自重的2 倍。